偏光顯微鏡--偏振光和雙折射原理

偏光顯微鏡是一種具有起倘振器、檢偏振器和補償器等裝置的特殊顯微鏡，它可以用于對于具右各向異性的生物學(xué)材料（如纖維蛋白、淀粉粒、紡錘絲等）的觀察和定量工作，而且普遍用于礦構(gòu)和巖石學(xué)中晶體的鑒定。

—、偏振光和雙折射原理

根據(jù)現(xiàn)代波動光學(xué)理論，一束光可以被看作是由無數(shù)連續(xù)的并相互具有10ˉ8S間隔的光量子組成，每一束光波都可以被分解為矢量的振動。一班這種振動發(fā)生在與傳播方向垂立的所有方向上，并且在各個方向上的振幅都相等，這種光被稱為非偏振光或天然光。與此相反，只在一個固定的方向上振動的光稱為線性偏振光。偏振光的振動方向和傳播方向所成的平面稱為振動面，通過光軸并與振動方向垂直的平面稱為偏振面，這種光矢量一般被描述為一種圓周運動（順時針或反時針方向），因此這種情況被稱為光的圓周偏振。地說這種運動并不*是圓周運動，而是一種螺旋運動。橢圓偏振是處于線性偏振和圓周偏振之間酌一種情況，也是經(jīng)常發(fā)生的一種類型，而線性偏振和圓周偏振可以被看作是橢圓偏振的兩個情況。

當(dāng)介質(zhì)中的原于和分子在三維方向上的分布是*相同時，對于在任何方向上通過介質(zhì)的光束來說折射率部是相等的，這些物質(zhì)在光學(xué)上放稱為各向同性物質(zhì)。然而像晶體或動物中的蛋白纖維等許多無機物或有機物，在某種程度上顯示出各個方向上折射牢并不相同的特點，具有這種特性的物質(zhì)被稱為各向異性物質(zhì)或雙折射物質(zhì)。通過這種物質(zhì)的光被分成在兩個互相垂直的平面上偏振的光，一種是服從通常的折射定律的正常光線（或稱O-光線）．另一種是異常光線（或稱E--光線），它具有不同于正常光線的傳播速度和折射率（圖11.1B）。異常光線的傳播速度隨著通過雙折射材料光線的方向而變化。在任何各向異性的材料中至少可以找到一個方向、在這個方向上O--光線和E--光線的傳播速度相等，這個方向被稱為光軸，當(dāng)然應(yīng)該注意這是一個方向而不是一條直線。十分明顯，異常光線的折射率（Ne）和正常光線曲折射率（No）之差隨著入射光與光軸之間的角度而變化。對丁雙折射物質(zhì)來說它的（Ne—No）的zui大值是各向異性材料的一種特性。由于異常光線當(dāng)它從光軸的方向被偏離時，可以顯示出在速度上的增加或減小，因而雙折射有正負之分。

在方解石這種高程度的雙折射材料中，可以通過把兩束光的一束移開而產(chǎn)生平面偏振光。把以對角線切開酌兩塊方解石斜方六面體用加拿大樹膠粘在一起就構(gòu)成了的尼科耳棱鏡。由于這種粘著物質(zhì)具有正好在No和Ne之間的折射串，于是在這個分界層上E--光線被透過，而O--光線被反射，并且在棱鏡的變暗面由于吸收而被移開（圖11．1C）

兩個尼科耳棱鏡當(dāng)它們的主平團平行時，除了由于吸收相反射的光損失而外，來自*個棱鏡的偏振光束將不受影響地通過第二個棱鏡。然而當(dāng)主平面互相垂直時，來門*個棱鏡的異常光線進入正常光線的振動平面，并且將被反射，在這種情況下使用十字棱鏡的結(jié)果是沒有光線迎過第二個棱鏡。因此通過兩個尼科爾棱鏡的光量是它們主要平面之間角度θ的一個函數(shù)，當(dāng)這個角度從0°轉(zhuǎn)到90°時，透過第二個尼科耳棱鏡的光振動的振幅與cosθ成反比例。

大多數(shù)液體和非品格的固體出于它們的化學(xué)鍵，分子的運動是*隨意的．因而是備向悶性的；但是在某些物質(zhì)學(xué)出于分子振動的多樣性引起了各向異性現(xiàn)象，它所形成的雙折射可以分為以下幾種類型：

（1）晶態(tài)雙折射。這實質(zhì)上是由于化學(xué)鍵不對稱排列所引起的各向異性結(jié)果，它為許多品體所持食。在生物體中的膠原纖維、肌纖維等結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)這種雙折肘，它與物體所在介質(zhì)的折射牟是無關(guān)的。

（2）形式雙折射。這是由具璃一定折射率的不對稱微粒所引起的，這種雙折射的形成取決于能夠透入扳動的不對稱粒子的介質(zhì)折射率。

（3）應(yīng)變雙折射。當(dāng)一個破壞力在分子鍵上起作用時，在分子結(jié)構(gòu)中就會產(chǎn)生優(yōu)光振動并導(dǎo)致各向異性。應(yīng)力玻璃和伸張撣力纖維就是如此。

（4）流動雙折射。在正常情況下表現(xiàn)為各向異性的某些液體，當(dāng)受到切向壓九時，由于被溶解的粒子振動中的變化而變成了雙折射。

除了考慮到正常光線和并常光線之間振動平面的不同而外。一些雙折射材料還顯示出對O--光線和E一光線不同的吸收，這種現(xiàn)象稱為二色性。例如電石晶體就具有強烈的二色性，當(dāng)它的厚度為1mm時就能夠全部吸收E一光線；在生物體中一—色性是很少見的，但通過適當(dāng)?shù)娜旧椒ㄔ谝欢ǖ慕M織成分中有時可以誘導(dǎo)這種二色性。

應(yīng)該指出偏振光不僅可以通過折射（如在尼科耳棱鏡中）或吸收（在二色性材科中）產(chǎn)生，而且也可以通過反射和散射而產(chǎn)生。當(dāng)光以一定的角度從破璃那樣的折射表面被反射時，與折射表面平行的振動平面的光被優(yōu)先反射，這種現(xiàn)象有時在十字棱鏡之間物體的邊部可以看到。

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